吉林农业大学工程技术学院 赵怀祥

前言

免耕玉米播种机是在没有耕过且地表有其它作物收割之后的残茬条件下进行播种的机器。可以完成破茬、开沟、施肥、播种、覆土、镇压等操作[1]。开沟铲是玉米播种机的关键零部件，开沟铲在工作时的受力复杂，开沟铲的几何尺寸与强度直接决定玉米播种机的精度。因此，为了保证开沟铲的强度和刚度要求，有必要对开沟铲进行有限元分析，从而得出其工作时的应力分布和应变分布，为设计提供理论支撑。

1 玉米播种机介绍

玉米播种机的三维设计如图1所示，主要零部件包括：排种器、开沟铲、覆土器等。

图1 播种机三维图

玉米播种机的主要性能参数有：外形尺寸、悬挂方式、工作行数、工作宽度等，如表1所示。

表1 玉米播种机性能参数

2 深松开沟铲的设计

根据玉米播种机的要求，深松开沟铲选择移动式尖角开沟铲，它能很好地打破犁底层，使土层不乱；渗水抗涝，保持水土；蓄水抗旱，形成地下水库；降低土壤容重，提高地温；增产增收等[2]。具体参数：开沟深度8～10mm，沟面夹角30°，开沟宽度约4cm。开沟铲设计结构如图2、图3所示。

图2 开沟铲示意图

图3 开沟铲装配图

3 开沟铲有限元分析

ANSYSWorkbench提供了强大的分析模块，‥利用该模块，只要给工件添加材料、网格划分、定义约束和载荷就可以实现有限元分析。其动力学方程如下[3]：

[M]是质量矩阵，[K]是刚度矩阵，{x}是位移向量，{F}是静载荷，[C]为阻尼矩阵，t是时间。在静力学分析中，与时间有关的量等于零，方程化简如下：

开沟铲受到多种形式的力，其中包括开沟铲与土壤的摩擦力，土壤对开沟铲的垂直反作用力等。运用常规方法进行强度和刚度计算难度大，利用Pro/E软件建模并用ANSYS对其进行有限元分析，可以求出开沟铲的应力、应变分布情况[4]。

首先，将开沟铲模型导入ANSYS，并插入静力分析模块。

其次，添加材料属性、划分网格。开沟铲采用16Mn，材料密度为7.25×103kg/m3，泊松比μ=0.31，弹性模量E=2.1×1011Pa。导种管采用Q235，材料密度为7.86×103kg/m3，泊松比 μ=0.3，弹性模量 E=2.0×1011Pa。单元类型采用系统默认的10借点四面体单元，每个节点有三个自由度。

再次，定义载荷和约束。开沟铲在工作中受力复杂，现简化成一个水平阻力和一个土壤的垂直反作用力，水平阻力一般为开沟阻力的80%～90%，因此最大水平阻力计算为130×90%=117N。垂直的反作用力为20N。

最后，求解并查看分析结果。在设定好以上参数后，便可以进行求解，求解完成后，通过后处理，便可查看应力分布、应变分布情况。

综合以上分析可以认为开沟铲的强度、刚度足够，满足设计要求，不需要再进行尺寸或结构的修改，且最大等应力、最大剪应力和最大主应力出现在开沟铲和导肥管的焊接处，因此需要保证其焊接强度。

[1]王丽艳,郭树国,邱立春.免耕技术及免耕播种机的发展[J].农机化研究,2006（2）：34-36.

[2]白广明,富刚,周宙.深松促进农作物丰产机理综述[J].黑龙江水专学报,2001(3)：28.

[3]浦广益.ANSYSWorkbench12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社,2010.10.

[4]王革新,强天纲.基于有限元的变速器轴的静力学分析[J].黑龙江交通科技,2010(1):99-100.